촛불의 색은 위치에 따라 왜 색이 다른 것일까. 석쇠를 달구면 온도에 따라 처음에는 검붉은색→주황색→흰색 순으로 변하게 된다. 양자론이 거두됨은 이 두 가지 현상(흑체현상)에 대한 과학자의 호기심에서 시작된다.
고전물리의 한계-흑체복사현상
물체는 고유의 에너지를 내고, 열을 받은 물체는 색이 변한다. 과학자들은 온도에 따라 빛의 파장이 반비례함을 들어 이 현상을 설명하려했다. 물질에 열을 공급하면 온도가 높아지고 파장은 작아진다. 에너지를 완전히 반사?흡수 하는 물질을 흑체라 하는데, 파장이 작아짐은 이 흑체의 색깔변화를 뒷받침할 수 있었다.
그러나 기존의 뉴턴의 역학에 따라 설명하자면 파장이 짧아질수록 열을 제공받은 물체는 흰색을 띄어야만 했다. 그러나 열을 받은 흑체는 항상 흰색이 아닌 적색, 청백색, 백색 순의 색변화를 보였다. 즉 고전물리에 따르면 촛불은 흰백색이어야만 한다. 그러나 실제 촛불의 안은 푸른색이고 바깥은 붉은색이다. 뉴턴 역학의 고전물리로써는 이 현상들을 설명하려는데 한계에 부딪치게 된다.
고전물리의 한계 극복-양자론 태동
고전물리가 풀지 못한 흑체복사현상을 풀기위해 플랑크는 새로운 양자화 에너지를 제안한다. 양자화 에너지(e)란 에너지는 매우 작은 양자에너지의 정수배임을 의미한다. 즉 에너지는 e, 2e, 3e, 4e…만 존재한다는 것이다. 기존의 고전물리는 에너지가 연속적으로 분포하지만 양자 물리에서는 ‘에너지는 불연속적이다’ 말한다. 불연속적인 에너지 분포는 기존에 흑체의 색이 변함을 설명할 수 있었다.
통계에 따른 확률과 양자론
플랑크가 고전물리를 뒤엎고 양자론을 태동시킨다. 동시에 빛이 파동(에너지의 흐름)이 아닌 입자성임을 아이슈타인이 광전효과를 설명하면서 증명해낸다. 아인슈타인은 빛을 하나의구슬로 본다. 아이슈타인의 생각은 금속에 빛을 쪼이게 되면 빛이라는 구슬이 금속 표면의 전자라는 구슬이 쳐낸다는 것이다. 굴러온 돌이 박힌 돌 빼는 식으로. 반대로 데이비슨은 입자라는 것도 동시에 파동성을 띌 것이라 제안한다.
이 파동이라 함은 어떠한 곳에 정지해 있지 않고 끊임없이 움직임을 의미한다. 이런 접근은 입자의 정확한 위치와 속도측정이 불가능함을 의미한다.(이를 하이젠베르크의 불확정성의 원리라고 한다.) 그 결과 정확한 측정이 불가능해 이를 수용하는 과학자들은 입자의 위치와 속도를 통계적인 확률에 기대게 된다.
양자론의 한계
양자론이 적용되는 계를 양자장이라고 한다. 양자장 내에서는 고전역학이 풀지못한 문제를 척척 예측해낸다. 그럼에도 불구하고 양자 역학이 예측하는 현상들 중에는 상상하기 힘든 딜레마가 있다. 다음의 예를 살펴보자. 양자역학은 두 입자가 동일한 양자장에 있기만 한다면, 거리에 상관없이 같은 방향에 두 입자의 운동량 합은 항상 0이라고 가정한다.
예를 들어 두 입자 중 한입자를 서울에 놓고 다른 입자를 안드로메다에 놓는다고 가정하자. 서울의 입자가 +1을 띄게 되면 안드로메다에서의 입자는 -1을 띄게 된다. 여기서 딜레마는 230만 광년 떨어진 두 입자가 어떻게 서로에게 영향을 미칠 수 있을까 하는 것이다. 현재 이 가정은 아인슈타인, 푸돌스키, 로젠의 논문에 근거해 E.P.R 역설이라 부른다. 아인슈타인은 이 현상을 “유령의 원격작용”이라 명하기도 했다.
양자이론은 아직도 풀어야할 문제와 증명해야할 현상이 많다. 윤용성<자연대?물리학과> 교수는 “양자론은 정확한 입자, 특히 전자의 위치를 알 수 없다고 말한다. 단지 어느 정도의 위치에 있을 확률이 90%라 말할 수 있을 뿐이다”며 “나노미터의 세계에서는 고전물리로는 설명할 수 없다”고 말했다. 또 “기술적인 부분으로는 0과1로만 처리하는 현재의 컴퓨터를 양자론의 특징을 이용한 양자컴퓨터가 대신해야 한다”며 “현대물리의 방향은 아인슈타인의 상대성이론과 양자이론을 통합할 수 있을 시공간 양자물리가 태동해야 한다”고 말했다.
